水域生态系统健康评价研究进展

章欣仪，刘伟成，张川，李鹏全，叶深，郑春芳

(1.温州大学 生命与环境科学学院，浙江 温州 325035；2.浙江省海洋水产养殖研究所，浙江 温州 325005；3.浙江省近岸水域生物资源开发与保护重点实验室，浙江 温州 325005)

水域生态系统是生态系统的重要组成部分，为人类提供富饶的生物资源、优质的生态产品和美好的生态环境，是人类社会经济可持续发展的重要基础。然而，水域生态系统在为人类及其他生物提供生态系统服务的同时，也受到人类活动和气候变化的影响[1]，特别是随着当今社会经济的快速发展和人类活动的加剧，使得水域生态系统的完整性遭到破坏，生态环境面临着前所未有的挑战。近年来，尤其是党的十八大将生态文明建设纳入“五位一体”的总布局后，水域生态系统的健康得到了前所未有的关注，关于开展水域生态系统健康评价的研究逐渐成为了热点。

1 生态系统健康的定义与研究进展

1.1 基本定义

生态系统健康的概念最初由美国Leopold提出，他认为健康的土地状况是被人类占领但功能没有遭到破坏[2]。随后，学者认为，在未达到生态系统自身功能阈限的情况下，生态系统仍处于健康状态。我国学者崔保山等[3]认为，生态系统健康是指系统内的物质循环和能量流动未受到损害，关键生态组分和有机组织保存完整，其发展终极是生态整合性。因此，健康的生态系统应具备以下特征：丰富的物种多样性、组织结构稳定性，有一定抵御外界干扰的能力以及恢复力，生态服务功能完备等。水域生态系统是生态系统的重要组成部分，指在特定水域中生物与环境构成的统一整体，在这个整体中，生物与环境之间相互影响、相互制约，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态。最早有关水域生态系统健康的记载是美国于1948年颁布的“联邦水污染控制法”[4]，Karr[5]用生物完整性来代表水域生态系统健康；Schofield等[6]认为，健康的水域是未受到破坏的；Meyer[7]提出健康的水域生态系统不仅要维持自身结构功能的完整，还要与社会经济相结合。我国水利部门认为，健康的水域不仅要有良好的自然生态状况，同时具备可持续的社会服务功能[8]。综合以上的观点，作者认为，健康的水域生态系统应当具备生态服务功能的可持续性、物质流和能量流的畅通性、生物的多样性和生态系统的完整性。

1.2 研究进展

国外对水域生态系统评价的研究较早，1981年，Karr[9]最先在河流健康的评价中建立和使用了生物完整性指数(index of biological integrity，IBI)，从此以后，这种评价体系在水域生态系统健康评价中得到了广泛的应用。Novotny等[10]认为，生物完整性同时受到物理完整性(栖息地条件)和化学完整性的高度影响，并做了进一步完善。另一方面，美国《清洁水法(CWA)》规定了国家控制水污染的目的和目标，即恢复和维护国家水体化学、物理和生物完整性，美国环保署(EPA)于1999年发布了快速生物评价协议(RBPs)，提供了河流着生藻类、大型无脊椎动物、鱼类的监测及评价方法[11]。欧盟《水框架指令(WFD)》[12]对水域生态健康进行了描述，该指令根据三类评价要素将水域生态健康状况归因于生物群落、水文特征和理化特性。以上研究和应用表明，只有综合物理、化学和生物三方面评价才能更准确反映水域生态系统的健康水平。

与国外相比，我国在水域生态系统健康评价领域起步较晚，最早是2001年马克明等[13]提出评价生态系统健康需要基于功能过程来确定指标，包括生态系统内部指标，即生态毒理学、生态系统医学等，以及生态系统外部指标，比如社会经济指标。2002年，唐涛等[14]首次将河流健康概念引入国内，按照评价原理将评价方法分为预测模型法和多指标法两大类。随着近几年研究和实践的不断深入，研究类型和研究内容也不断丰富。研究类型主要涉及有河流湖泊[15]、河口海湾[16]、滨海湿地[17]、红树林[18]等水域生态系统，研究的内容主要集中在生态系统健康评价的方法、指标体系的确立、健康评价的标准等。

2 水域生态系统健康评价方法

2.1 指示生物法

指示生物法是指根据对水域中污染物具有敏感性或较高耐受力的生物种类的存在或缺失，指示和监测水域健康状况的方法[19]。目前已在水域生态系统健康评价中得到了广泛应用。通常采用关键种、指示种、特有种、濒危种、环境敏感种等作为指示生物[20]，主要是利用指示生物在物种的数量、生物量、生理或行为上具有明显变化的特点，反映出水域的水质变化及健康水平。随着近年来研究的深入，指示生物法从一开始根据指示生物的存在或缺失的定性分析转变为定量分析，并且逐渐从单物种指示生物法转变为多物种指示生物法，例如生物完整性指数(IBI)、Shannon-Wiener多样性指数以及生物指数等都是应用比较广泛的方法，综合运用评价方法，能够更加全面的反映水域生态系统的负荷能力和恢复能力。

生物完整性法是指示生物法中最常见的一种，评估水域生态系统健康的指示物种有鱼类[21-22]、藻类[23-24]、底栖生物[25-26]等。鱼类处于水域生态系统食物链的顶端，作为指示生物具有易于捕捞、对水质变化敏感、寿命长等优点，因此基于鱼类指数用于评估水域生态系统健康的方法越来越受到国内外重视[27]，无论是巴西南部亚热带河流[21]，还是我国莱州湾水域[22]，鱼类生物完整性评价的指标体系构建研究与应用均有报道。

着生藻类是水域生态系统的重要组成生物，它处于食物链底端，是生态系统的初级生产者,在物质循环和能量流动中发挥着重要作用[28]。Borja等[25]提出了浮游植物的细胞密度是水质的最佳评价指标。徐宗学等[24]在渭河流域根据着生藻类物种丰富度、群落多样性、相对丰度、生态型和密度5类属性，构建了着生藻类生物完整性水生态系统健康评价指标体系。

大型底栖动物是水域生态系统食物链的重要组成部分，由于其生活周期长，活动范围比较固定，易于采集，且对水质的变化敏感，近年来无论在海洋还是河流中应用都比较广泛。Borja等[25]根据欧洲水框架指令，使用多变量海洋底栖生物指数(M-AMBI)对底栖生物进行评估，研究了沿海水域在人口压力下的健康状态；李金京等[26]基于大型底栖动物群落结构调查，综合Shannon-Wiener多样性指数、耐污值法和生物指数法对长江支流桥边河进行水质生物评价。

指示生物法运用水生生物对水域的敏感性和较高耐受性，操作简单，检测方便，在生态系统健康评价中应用较早，方法已接近成熟。但因海洋物种多样，鲜少被应用于评价海洋健康，更多地被用于研究河流领域。随着近年来环境DNA技术的发展，通过从水环境中提取DNA进行研究，可同时实现对自然生态系统中多生物聚集的监测[29]，进一步丰富并便利了指示生物法。

2.2 指标体系法

指标体系法是根据生态系统的特征和服务功能，运用一系列水文、生物、物理化学、社会经济、等不同类型的指标建立指标体系，能够从不同角度不同深度评价生态系统健康的水平以及变化趋势。指标体系法根据选取指标的不同有多种构建方法，大致可以分为3个步骤开展[30]：评价指标体系的构建，指标权重的确定与标准化处理，健康等级划分和综合评价。

2.2.1 评价指标体系的构建

水域生态系统健康评价指标体系是由多个互相联系、互相制约的指标构成，要求指标的选择既有相关性又有独立性，能够全方位、多角度地反映生态系统的健康水平以及变化趋势，精确地反映生态系统及管理和评价目标[31]。根据指标选取的不同，可以分为压力—状态—响应(PSR)模型指标体系、活力组织恢复(VOR)综合指数法等。

在目前的研究中，PSR模型应用最为广泛。该方法是应用对外界压力的反应建立生态系统健康评价体系，其中的关键是压力和与压力相关因子的选择。其中，压力指标是人类活动对生态系统的物理、化学和生物影响，状态指标是该生态系统目前的质量水平，响应指标是社会和政府所采取的改善生态系统的措施和行动。目前PSR模型被广泛应用于海洋与湿地领域，Yang等[32]采用PSR模型针对我国海洋环境制定了健康评估指标框架，评估了11个省级沿海海域和4个沿海海域的海洋健康状况；陈凤等[33]采用PSR模型，在压力系统、状态系统、响应系统3个层面共选取了17个指标，构建了闽东滨海湿地生态系统健康评价指标体系；Xu等[34]结合TM影像数据，建立并完善了大凌河口湿地自然保护区的空间信息数据库，在使用PSR模型的基础上确定了大凌河口湿地生态系统健康评价模型。

活力组织恢复(VOR)综合指数法是指以“活力—组织力—恢复力”为评估框架，借用不同指标分别衡量生态系统在功能、结构、过程、服务等维度上的健康状况[35]。活力是指流经一个生态系统的能量，通常能够从营养级结构和生产力反映，组织力是指一个生态系统复杂性，包括溶解氧、盐度、无机磷、无机氮、鱼类多样性、浮游生物多样性等。恢复力是指生态系统在受到破坏后逐步恢复的能力，通常用环境容量表示。VOR模型较早被用于流域中，张渊[36]根据VOR模型的内涵，从活力、组织结构和恢复力3个方面，选取植被归一化指数、林地覆盖率、多样性指数、均匀度指数、蔓延度指数、散布与并列指数以及综合弹性值为指标，构建了滇池流域健康评价指标体系，结果显示，自2000年以来滇池流域生态系统健康状况在不断地改善。

2.2.2 指标权重确定与标准化处理

指标权重的确定是指标体系法中至关重要的一环，目前，较为常见的确定指标权重的方法有层次分析法(AHP)、主成分分析法(PCA)、模糊层次分析法(FAHP)等。层次分析法主要是对与决策存在关系的元素进行分解，使其转化为相应的目标、准则以及方案等层次，继而进行定性、定量分析。Wu等[37]运用层次分析法计算了指标权重，并结合遥感技术和景观指数，构建了湿地生态系统健康评价指标体系。主成分分析法就是通过正交变换的方法对一组可能存在相关性的变量进行转化，使其成为一组线性不相关的变量。刘潇等[38]在黄河口及邻近水域进行了3个航次的环境调查，获取了盐度、营养盐、化学需氧量及重金属等指标数据，利用主成分分析法研究该海域的水质状况。模糊层次分析法是指在明确多目标评价问题以及总目标的基础上，对问题进行层次性的分解，继而使其转化为一个由下而上的梯阶层次结构。何海吉[39]结合模糊评价和层次分析法，构建了四川省南充市西充县水生态文明综合评价的层次结构，确定了方案层指标的权重值与评价值，并得到近5 a的水生态文明指数。

2.2.3 健康等级划分和综合评价

健康等级划分的问题，即水域生态系统参考状态选取的问题。首先就是要确定最佳的状态区间，通常选取历史上未受干扰时的良好状态为最佳状态[40]，再根据一定的计算准则确定偏离最佳状态的各分级区间[41]。因为不同水域生态系统的实际情况及各地区具有差异性，截至目前对于水域生态系统健康等级划分尚未形成统一的标准，通常采用构建的生态系统健康评估综合指数分值高低，将生态系统的健康状况划分5个等级[42]，即很健康、健康、亚健康、不健康、病态。各健康等级的具体特征为：很健康，生态系统受人类干扰小，调节功能和支持功能完善；健康，生态系统结构合理，自身的调节以及支持功能比较完善；亚健康，生态系统结构、功能未受显著影响，尚能发挥作用；不健康，生态系统结构出现缺陷，功能退化；疾病，生态系统受到严重破坏，生态结构极不合理，功能严重退化。因研究水域的差异性以及研究人员对健康与否的理解有所差异，在具体表述健康状况时稍有不同。张雯等[43]采用生态系统健康综合指数(EHCI)构建太湖湖滨带生态系统指标体系,将评价结果表示为健康(80～100)、亚健康(61～80)、一般(41～60)、疾病(21～40)与严重疾病(0～20)共计5个评价等级；孙徐阳等[44]结合不同健康水平下生态系统的特征和流域水生态环境现实状况确定健康等级标准，将水生态系统健康状况分为5级(I到V)，分别对应优、良、中、差、极差5个水平；徐红玲等[45]采用百分制对太湖流域湖荡湿地指数所属标准进行限值：对应0～100数值区间把太湖流域湖荡湿地状态分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，对应优、良、中、差4个级别。

2.3 数学模型法

在处理与水域有关的数据时，会面对不可预测的自然变化，人为干扰，具有复杂性的、不稳定的特征和模糊的属性，往往使它们难以处理。数学模型是近年来发展迅速的新型生态系统评价方法，在处理此类数据方面显示出了非凡的成功和优势。这种方法主要是对某种事物系统中实际的特征以及对应的数量依存关系进行分析，通过使用数学语言的方式对其进行概括，并将其转化为数学结构，从本质上来讲是属于一种通过数学符号刻画的、关于某种系统的纯关系结构。它具有更高的处理非线性数据的准确性、可靠性、成本效益以及效率，是水质监测、管理、可持续性和政策制定的理想工具。2000年Maier等[46]首次利用人工神经网络(ANN)模型，成功对水域中水质的变化进行了分析和预测；杨哲等[47]在太湖流域健康评价中引入云模型，从而实现模糊熵—灰云聚类二维河流健康评价；Deng等[48]改进了基于熵的模糊物元模型，通过对河流功能进行分类和表征，建立了平原河网地区河流健康评估指标体系；Growns等[49]利用物种分布建立模型(SDM)评价澳大利亚沿海河流的健康水平；Yang等[50]通过识别生态风险源、压力源、终点和相应的响应机制，开发了风险响应的概念模型，并改进了TOPSIS模型，结合了基于层次分析法(AHP)和指标重要性法(Critic)的组合加权方法对渭河流域进行了评估(表1)。

表1 3种评价方法的优缺点及应用前景的对比

3 小结与展望

水域生态系统健康是一个系统的整体的问题，评价方法在不同空间尺度有着明显的差异。在研究空间上，更多的研究聚焦在河流、湿地领域，其中利用生物完整性来评价水域健康依旧是目前最普遍的方法。在海湾、海洋领域，研究人员更多采用指标体系法，综合考虑社会经济效益，能够较全面地揭示生态系统不同尺度的健康状况，除此之外通过建立海洋健康指数，能够对更大范围乃至全球的海洋进行健康评价。不同的评价方法没有绝对的优劣之分，具体水域具体分析，最重要的是找到针对某一水域最为有效的评价方法，全面综合地考虑问题。

近年来国内就水域生态系统健康评价开展了诸多研究工作，但仍处于发展阶段，尚未形成统一的评价标准与方法，且存在以下几个问题：1)水域生态系统研究空间尺度问题，相较于河流领域生态系统健康来说，目前在海洋生态系统方面的重视度不足；2)水域生态系统研究的整体性问题，目前部分研究只考虑水域的水质问题，只考虑了水质的物理化学方面，尚未形成水域整体性的观念；3)水域生态系统健康的评价指标问题，影响水域生态系统健康的指标很多，选择的指标因水域的不同而不同，尚未形成统一的规范和标准，导致不同研究的差异很大。因此，在研究上要考虑：1)海洋是地球上最广阔的水体，水域生态系统健康研究在空间尺度上需要进一步扩大；2)将水域生态系统看作一个系统整体，健康的水域生态系统不仅是水质上的健康，更是物理、化学、生物综合方面都达到良好的水平，要综合应用系统开展整体的评价；3)因地制宜地制定符合不同水域的健康评价标准，充分考虑我国不同地区水域的自然、社会、经济以及人类活动上的差异；4)在确定指标的过程中，要将易获得性、可量化性、普遍性以及重要性作为参考的依据，在此基础上构建相对比较完善的指标体系。除此之外，也要采取科学合理的方法确定生态系统健康评价分级标准。